应变式传感器ppt课件.ppt

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1、第2章电阻式传感器原理与应用,2.1 应变式传感器 2.2 压阻式传感器,2.1 应变式传感器,2.1.1 金属电阻应变片的工作原理 2.1.2 金属应变片的主要特性 2.1.3 测量电路 2.1.4 应变式传感器应用,2.1.1 金属电阻应变片的工作原理,1.金属的电阻应变效应,电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化。,F l、A 、 R,电阻的灵敏系数,对于半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r，又由材料力学可知，在弹性范围内，,导体的纵向应变，1微应变=10-6应变； 材料的泊松比， 一般金属=0.30.5； 压阻系数，指材料受到应力作用时，电阻率发生变

2、化的现象，与材质有关；,应力，材料在外力作用下不能产生位移，材料发生形变，内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力称为应力； E材料的弹性模量，表征材料抗拉或抗压的物理量，=/E。,金属电阻的灵敏系数,引起材料的几何尺寸变化 引起材料的电阻率变化,金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6 半 导 体： k0以后者为主，则k0E 50100,2. 应变片的基本结构与种类,敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝 丝绕式 基 底 绝缘 覆盖层 保护,位移、力、力矩、加速度、压力,弹性敏 感元件,应变,2. 应变片的基本结构与种类,外力作用 被测对

3、象表面产生微小机械变形 应变片敏感栅随同变形 电阻值发生相应变化,应变片的类型和材料,金属丝式 金属箔式 金属薄膜式,回线式 短接式,金属丝式应变片,图2.1.2金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线,（H）形应变片,金属箔式应变片,在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状,图2.1.3箔式电阻应变片,LANHE佛山兰和传感器有限公司,优点 ：,（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求， （2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。 散热条件好，允许电

4、流大，灵敏度提高。 （4）横向效应可以忽略。 （5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。,金属薄膜应变片,采用真空蒸发或真空沉积或溅射等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产 。 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产。 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系。,2.1.2 金属应变片的主要特性,应变片的灵敏系数 横向效应 温度误差及其补偿,应变片的电阻值 R,应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值 。 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 电阻值大可以加大应变片承受电压，

5、从而输出信号大，敏感栅尺寸也增大 。,应变片的灵敏系数,“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料为泊松系数=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的产品来测定，取平均值及允许公差值。,电阻应变片的灵敏系数K 电阻丝的灵敏系数K0,粘结层传递变形失真； 还存在有横向效应,原因：,横向效应,敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成 直线段：沿轴向拉应变x，电阻 圆弧段：沿横向压应变y 电阻,K (箔式应变片),l,y,x,应变片的横栅部分电阻变化减小，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。,

6、（1）温度误差 电阻温度系数的影响 敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。敏感栅材料的电阻温度系数为, 表示温度改变 1C时电阻的相对变化。当环境温度变化T 时，则引起的电阻相对变化为,其中,（2.1.8）,（2.1.9）,试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同， 表示温度改变 1 时长度的相对变化应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 。,相应的虚假应变输出为,可得由于温度变化而引起的总电阻变化为,（2.1.15）,（2.1.16）,（2）温度补偿方法,线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻,温度补偿,自补偿法 单丝自补偿法 组合式自补

7、偿法, 电桥补偿法,U0,R1,R4,R3,U,Rb,F,F,R1,Rb,（2.1.17）,当被测试件有应变的作用，则,工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻，称为等臂电桥。,优点： 简单、方便，在常温下补偿效果较好 缺点： 在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。, 应变片的自补偿法,粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。 a. 选择式自补偿应变片 b. 双金属敏感栅自补偿应变片,选择式自补偿应变片,优点

8、：容易加工，成本低。 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。,由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立,(2.1.21),即可达到温度自补偿的目的。,图2.1.5双金属丝栅法,双金属敏感栅自补偿应变片,敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。,选用两者具有不同符号的电阻温度系数的电阻丝，调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足,通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.14 /的高精度 。 例如：当R1长度一定时，可求得R2值及长度。,热敏电阻补偿,T K T Rt URt U =(

9、 Ui - URt) U0,2.1.3 电阻应变片的测量电路,1 电桥电路的工作原理 2 非线性误差及其补偿,35,IL=0直流电桥平衡条件,平衡条件：,R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4,1. 电桥电路的工作原理,直流电桥的工作原理,不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度,当电桥后面接放大器时，电桥输出端看成开路。电桥的输出式为：,应变片工作时，其电阻变化R,采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时式(2.1.24)可写为,当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则,上式表明：, Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致

10、，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。,电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。,单臂电桥，即R1桥臂变化R， 实际输出电压,2.非线性误差及其补偿,等臂电桥R1=R2=R3=R4=R,理想的线性关系,UO与R/R呈非线性关系，即UO与呈非线性关系。,（2.1.28）,（2.1.29）,电桥的相对非线性误差为,R

11、/R即,（2.1.30）,电桥灵敏度,=0、T0Uo 0， RT1 对Uo有影响, 0、T0Uo 0， 且RT1 对Uo有影响,减小非线性误差采用的措施为：,（1）采用半桥差动电路,等臂电桥R1R2R3R4=R，R1R2=R,UO与R/R成严格的线性关系 电桥灵敏度比单臂时提高一倍 温度补偿作用：,电桥灵敏度,（2.1.31）,=0、T0Uo=0 ，RT1、 RT2 对Uo无影响；, 0、T0Uo 0 ，RT1、 RT2 对Uo有影响。,全桥差动电路,R=R=R=R R1=R2=R3= R4,输出电压为：,全桥差动电路,（2.1.32）,温度补偿作用：,电桥灵敏度比单臂时提高4倍,=0、T0U

12、o=0 ，RT1 RT4 对Uo无影响, 0、T0Uo 0 ，RT1 RT4 对Uo有影响,2.1.4 电阻应变式传感器的应用,应变式力传感器 应变式压力传感器 应变式液体重量（或液位）传感器 应变式加速度传感器,柱式力传感器,1 应变式力传感器,（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；,（c）圆柱面展开图,（d）电桥连接图,图2.1.9圆柱（筒）式压力传感器的应变弹性体结构图,(2)梁式力传感器,图2.1.10 等截面梁应变式传感器原理图,结构简单，易加工，灵敏度高,适合于测5000N以下的载荷 。, 等截面悬臂梁,（2.1.34）, 等强度悬臂梁,图2.1.10 等强度梁应变式传感器原理图,（2.

13、1.35）, 双端固定梁,（2.1.36）,图2.1.2 双端固定梁应变式传感器原理图,图2.1.13 全桥电路,薄壁圆环式力传感器,在外力作用下，各点的应力差别较大,（2.1.37）,54,膜片受力时的应变分布和应变计粘贴,2. 应变式压力传感器,（1）膜片式压力传感器,55,图2.1.15 膜片式压力传感器,56,r 径向应变； t切向应变 R平膜片工作部分半径； h平膜片厚度； E膜片的弹性模量； 膜片的泊松系数； p膜片上均匀分布的压力； x任意点离圆心的径向距离。,（2.1.38）,（2.1.39）,57,由应力分布图可知, 膜片弹性元件承受压力p时, 其应变变化曲线的特点为: 当x

14、=0时 当x = R时, tmin= 0, rmin=-2rmax，,58,膜片式压力传感器一种敏感元件结构,根据以上特点, 一般在平膜片圆心处切向粘贴R2、R3 两个应变片, 在边缘处沿径向粘贴R1、R4两个应变片, 然后接成全桥测量电路。 ,（2）筒式压力传感器,图2.1.16筒式压力传感器,周向应变； P被测压力 D圆筒外径； D0圆筒内径,机床液压系统的压力（106107Pa）； 枪炮的膛内压力（108Pa）； 动态特性和灵敏度主要由弹性材料的E值和尺寸决定。,对于薄壁筒，可用下式计算,（3）组合式压力传感器,应变片不直接粘贴在压力感受元件上 压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等

15、。,通常用于测量小压力。 缺点：是固有频率低，不适于测量瞬态过程。,3. 容器内液体重量（液位）传感器,A1 、A2传感器的传输系数； 被测溶液的密度(Kg/m3)。 g 重力加速度(m/s2)； h被测量，感压膜至液面得高度(m),G被测量，容器内感压膜上面溶液的重量(N) ； S柱形容器的截面积(m2)。,（2.1.42）,(液位）传感器,（2.1.44）,溶液重量传感器,4. 应变式加速度传感器,在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用, 但不适用于频率较高的振动和冲击。,应变式加速度传感器结构示意图 1等强度梁 2质量块 3壳体 4电阻应变片,End the 2.1,65,m质量块质量 ； G为等强度梁折算到自由端的等效质量，一般为梁质量的1/6； b、h、l如图2.1.10所示。,